1、 收缩，开裂和变形 混凝土结构使用的可靠性 里吉尔伯特 土木及环境工程学校校长兼教授新南威尔士大学，悉尼，新南威尔士州 2052 号电子邮件： i.gilbert unsw.edu.au 摘要 本文讨论收缩对混凝土结构可靠性的影响，它概述了为什么收缩是重要的，它的主要影响，即对结构最终的开裂程度和挠度大小的影响，以及在设计中应该注意什么？有一种模型可以预测在普通混凝土、高强度混凝土、不稳定性普通混凝土和钢筋混凝土中的收缩应变，无论有没有外部约束的情况下，都可以用这种模型来解释。描述解析过程是为了估算弯曲裂缝及直接拉伸裂缝的最终宽度和间隔，并呈现出一个简化的过程，它包括影当计算长期收缩时的影响。
2、该文件还包含一个概要的注意事项，目前正在由澳大利亚国家标准工作组制定，以校正混凝土使用可靠性条款 AS3600-1994 尤其是那些涉及到收缩的条款。关键词 徐变;开裂;变形;钢筋混凝土;可靠性;收缩。 1 . 引言 为了使混凝土结构更加耐用，开裂要在控制范围内同时变形量绝不能超过限度，振动也必须不过度。有效荷载作用下混凝土结构中，混凝土的收缩在许多方面都起着重要的作用。混凝土可靠性的设计可能是混凝土结构各个方面中最困难的和最不好理解的。 有效荷载的特点，主要取决于混凝土的性能，在设计阶段这些性能往往是不确定的。 此外，在有效荷载作用下，混凝土具体表现为一个非线形和非弹性的方式。这种非线性性能
3、使混凝土的可靠性计算复杂化，主要是由于裂缝、拉伸硬化、徐变和收缩。 其中，收缩是主要问题。约束收缩会导致时效性开裂，并逐步降低拉伸硬化的有利影响。 在受弯构件中它将导致已有的裂缝逐渐加宽并使变形量随时间大量增加。控制钢筋或预应力混凝土结构中的开裂通常是通过限制连接钢筋中的应力相适应地以一个低位值增长，并确保连接钢筋对称分布。 在许多实践规范中，明确规定了在开裂和连接钢筋达到允许的最大间距之后钢筋的最大应力。 但是，现有的规范的规程，如果有的话，足以充分解释现有的裂缝的宽度随时间的增加而增长，主要归因于收缩，或新的裂缝随时间的发展源于限制收缩导致的拉应力。为了控制挠度，结构设计者应选择“最大挠度
4、限制值”以适应结构和符合预期的使用，计算的挠度（或弯曲度）不能超过这些限制。现行的规范给出的最大挠度的选择和挠度的计算是比较笼统的。但是，在大多规范中，简化的挠度计算过程是从钢筋混凝土简支梁的试验中获得的。当遇到更为复杂的结构时，这些计算过程往往给出粗糙的不准确的预测。再者，就是现存的规范规程不能给出有用的关于如何充分塑造在挠度计算时徐变和收缩的时效影响的方法。可靠性失效的混凝土结构，包含过多开裂和/或过度弯曲是较为常见的。 无数的案例报告证实，在澳大利亚和其他地方，结构符合规范要求，但仍然出现过度弯曲和开裂。 在大部分的这些破坏中，混凝土收缩是负主要责任。显然，这些包含于我们规范中的可靠性条
5、文不能恰当的建立正在使用的结构的性能模型， 特别是难于恰当解释混凝土的收缩。追求可靠的混凝土结构必须涉及更可靠的设计过程的形成和发展。 它也必须涉及到设计者更多地重视适当的混凝土配合比的规定，特别是对于徐变和收缩特征的组合，同时也要求在建设过程中有合理的工程的投入。 高性能混凝土结构要求规格的高性能混凝土（不一定是高强度混凝土，但混凝土的相对收缩率低，不容易产生塑性收缩裂缝）和高标准的建设，相称地涉及较长的脱模时间，足够的支撑和严格的现场监督。本文讨论这些问题中的一些，特别是那些影响混凝土收缩的设计。 它概述了收缩如何影响现役结构，和在设计中应该做什么，它还提供了一个概述的注意事项，一个目前正
6、在由澳大利亚国家标准工作组确定的标准，澳大利亚国家标准修改可靠性规定AS3600 - 1994 1 ，特别是那些有关收缩的条文。 2 .可靠性的设计 当设计可靠性时，设计者必须确保整个结构，在日常荷载的一天天作用下能够完成它预期的功能。弯曲绝不能过量，裂缝必须得到足够的控制以及没有任何部分的结构应受到过度振动。收缩导致时效性的开裂，从而降低了混凝土结构的刚度，并因此在可靠性设计的各个方面产生不利因素。 弯曲变形在混凝土可靠性设计方面的影响可以被归纳为三个主要的类型： （一） 过度弯曲导致审美或功能上的问题。 （二） 过度弯曲导致结构或与构件相联系的非结构性元素的损害。 （三） 力学上的效果，由
7、于刚度不足导致居住者的不适。 3 . 收缩的影响如果混凝土构件可以自由地收缩，而不接受约束，那么混凝土收缩就不会是结构工程师主要关心的，然而，事实并非如此。混凝土构件的收缩通常受到它的支点或其相邻结构的约束，与混凝土相连接的钢筋也限制了它的收缩，每个这些约束的形式都涉及一个强加于混凝土的逐步增加的拉伸力，可能导致混凝土时效性开裂（在先前无开裂区域）挠度的增加以及开裂缝的加宽，对收缩的约束可能是导致混凝土中难看的裂缝的最普通的原因 ，在许多情况下，出现这些问题是因为收缩并没有得到结构设计者的充分的考虑，以及在按照现行规范制定的开裂控制和变形计算过程下设计时，收缩的影响得不到到充分的蓝本。收缩裂缝
8、的出现取决于对收缩的约束程度、拉伸时混凝土的强度和延展性以及拉伸徐变和存在于构件中的荷载导致的拉力。如果逐渐增大的由收缩引起的且随徐变增长而减少的拉应力始终低于混凝土的抗拉强度，那么裂缝只能回避。尽管混凝土抗拉强度的增加随时间增加，弹性模量和收缩引起的拉应力也随时间增长而增加。此外，由徐变导致的拉应力的减少与时间成反比。在未开裂区由荷载导致的拉力的存在加快了时效性开裂的形成，因此，在许多情况下，收缩裂缝是不可避免的。控制这种裂缝需要两个重要步骤。第一，收缩所致的拉力和所在区域可能形成的收缩裂纹必须被结构设计师所识别。第二，在这些区域内必须有足够数量和配置的锚固钢筋，以确保该裂缝保持良好和结构依
9、然可靠。 3.1 什么是收缩？ 混凝土收缩是在恒温下未受荷载且无应变的试件上测量出的时效性应变。从一开始区分塑性收缩、化学收缩和干燥收缩是很重要的。一些高强度混凝土容易于产生塑性收缩，多发于潮湿的混凝土，并有可能在混凝土放置的过程中产生相当多的裂缝。这些裂缝的产生由于孔隙水中毛细张力。 因为塑性混凝土和钢筋中的粘结还没有形成，钢筋在控制这种裂缝时是无效的。在混凝土含水量低的情况下，这个问题可能会很严重，所以硅粉混凝土和使用这种混凝土所建的有着大的暴露面的板的构件是不被推荐的。 干缩是在干燥过程中主要由于水的损失而导致的体积的减小，化学性（或内源性 ）收缩是水泥沙浆中的各种化学反应包括水化收缩所
10、导致的，这种水化收缩是与密封试件中粘结剂水化的程度有关的。混凝土收缩应变，通常指的是干燥和化学收缩组件的总和，继续随时间以一个递减的速率增长，收缩被假定接近一个最终值 ， 随着时间增长无限接近最终值同时取决于影响混凝土干燥的所有因素，包括相对湿度和温度，综合特性（尤其是粘结剂的种类和数量、含水量和水灰比、骨料的粗细比以及骨料的类型），以及构件的大小和形状。干缩在高强度的混凝土中小于正常强度的混凝土，这是由于水合以后自由水的数量少的缘故。但是，内源性收缩明显要高于后者。 对于普通强度的混凝土（ MPA ），AS3600 建议在混凝土干燥以后的任何时间的设计干缩（包括干燥收缩和内源性收缩）可由公式
11、（ 1 ）估计。从 bcscsk.1（1）其中 是一项基本收缩应变，在无法测量的情况下，可取 850 10 -6 （注：在最近标准的修订 2 里，此值是从 700 10 -6 增加而来的）; k 1是由在标准里的图 6.1.7.2 按照插值法得到的且取决于干燥开始的时间，环境和混凝土表面积及容积率。 一个假设的厚度，t h = 2A/ ue,，应该习惯于充分考虑，其中 A 是构件的横截面面积，u e 是 暴露在大气中的那份横断面周长加上横断面内任何空隙率的总周长的一半。 AS3600 在预测值的正负 40 的范围陈述实际的收缩应变，可（从 AS3600 1994 修订 2 里的 30 增加而来
12、），在笔者看来，这个范围仍然是有些乐观地狭隘，尤其是当人们考虑到该国的国土面积和不同的地理位置测量混凝土收缩的差异性。方程（1）不包括与混凝土的成分与品质相关的任何影响，相同的 cs 值被预测与混凝土强度，水灰比，骨料的种类和数量，外加剂的类型等无关，而且，因子 k1倾向于高估了构件尺寸的影响而明显低估了收缩形成的早期阶段的影响。 该法应仅限于当混凝土有低水灰比（ 0.4 ） ，并具有良好等级，骨料的质量好时的一种参考。当混凝土的水灰比比预期的高或当怀疑被使用的存在的有关类型的骨料时，AS3600 给出的 cs的预测值应至少增加 50 。标准中预测收缩应变该方法目前正在修订，包括高强度混凝土在
13、内的大量的修正可能被建议。 一项建议目前正在被澳大利亚国家标准考虑，它是由吉尔伯特提出的（1998），涉及总的收缩应变， cs，被分成两部分，内缩， cse,，（它被假定发展较为迅速且随混凝土强度增加而增加）和干燥收缩， csd（它发展速度比较慢，与混凝土强度增长成反比），在浇铸后任何时间 t（天），内源性收缩由下式给出 cse = *cse (1.0 - e-0.1t) （ 2 ）其中 *cse是最后的内源性收缩，并可由式 *cse 得到，其中 cf取 610)53(cf兆帕，基本的干缩 可由式（ 3 ）66* 210)81( ccsdf给出，在干缩开始后的任何时间 t（天），干燥收缩可按下
14、式计算 （ 4 ）变量 可由式 （ 5 ）给出，在干燥的环境中， ， 取 0.7 ，在适度的环境， 取0.6，在热带/沿海环境中， 取 0.5。对于室内环境， 可取 0.65 。按方程（5）给出的 k 1的值有着相同的一般形式（如 AS3600 中的图 6.1.7.2 所示），除去那些在初期快速形成的收缩和随着增加的 th值减少的干燥收缩外变化不是很大。 所以在任何时间的最后收缩是应内源性收缩（方程 2 ）和干缩（方程 4 ）之和，例如，处在室内环境中且有着假设厚度 th = 100 mm 、 t h = 400 mm，按照上述模型预测的收缩应变在 表 1 中给出如下： 表 1 在室内环境下按
15、照建议的模型给出的设计收缩应变 28 天时的应变（ 10 -6 ） 10000 天应变时（ 10 -6 ） （ 10 -6 ） （ 10 -6 ） 3.2 在无约束和无筋混凝土中的收缩（吉尔伯特，1988 ） 7 暴露在干燥环境中的接触面的收缩是最大的，而越往混凝土构件的内部干缩越少。透过普通混凝土板的厚度的收缩以及在顶部和底部干燥的作用，都在 图 1 中可见一斑。此板未受荷载和约束。在图 1 中的平均收缩应变 cs是平均收缩。 非线性应变标志 cs是引起内应力发展的那部分收缩应变，这些自我平衡应力（所谓 eigenstresses ）产生需要的弹性和徐变应变恢复一致性（即：确保平截面保持平整
16、），这些应力发生在所有混凝土结构中，同时是接近干燥表面拉力和构件内部的压力。因为收缩引起的应力随着时间的推移逐渐发展，它们随徐变减小。然而，干燥表面附近的拉应力往往超过未成熟混凝土抗拉强度，并造成表面开裂，在混凝土开始干燥后不久。 潮湿养护延迟了干燥的开始时间，也可能同时给混凝土产生足够的以避免难看裂缝出现的抗拉强度赢得了时间。 25 25 900 23 449 472 25 885 910 50 100 700 94 349 443 100 690 790 75 175 500 164 249 413 175 493 668 100 100 250 300 235 150 385 250 2
17、96 546 25 25 900 23 114 137 25 543 568 50 100 700 94 88 182 100 422 522 75 175 500 164 63 227 175 303 478 400 100 250 300 235 38 273 250 182 432 图 1 在普通混凝土板中，收缩引起构件的应变。 由 eigenstresses 引起的弹性和徐变应变是相等的且与 cs相反，如图 1b 所示。由弹性、徐变、构件的收缩应变之和获得的总应变的分布是线性的（图 1c） ，从而满足一致性。无论是在顶部和底部表面，如果干燥条件都是一样的，那么其总应变是均匀沿板的深度方
18、向分布，且等于板的平均收缩应变 cs，这是这个数值在在分析混凝土结构时的一般意义。如果干燥以不同的速率在构件顶部和底部发生，那么其总应变分布将使构件变得倾斜和扭曲。 4. 变形控制 控制变形可通过限制计算挠度到可以接受的小值来实现。在 AS3600 (1)中规定的两种可替换的笼统的计算挠度的方法，即挠度的精确计算 （条款第 9.5.2 针对梁，条款第 9.3 .2 针对板）及挠度简化计算 （ 条款第 9.5.3 针对梁，条款第 9.3.3 针对板）。针对开裂、拉伸固化、收缩、混凝土的徐变特性以及板的预期的荷载作用史和双向作用板，前者应该制定的不是细节规定而是个限定值。 在持续性荷载作用下的梁和
19、板的长期的或时效性的特性可以用各种分析过程来确定（吉尔伯特， 1988 ） 7 ，包括校正时间后的有效模量法（AEMM），曾被吉尔伯特和麦克布劳夫精确描述（1997） 12 。使用 AEMM 确定瞬时和时效性的梁和板的危险横截面的变形，然后再积分曲率便可获得挠度，是一个被推荐的精确的计算方法。 使用 AEMM，在任何时候个别断面上的应变和曲率都可以计算出来，同样能计算出作用在混凝土与连接钢筋或筋中的应力。在常规的混凝土结构的可靠性极限状态设计中使用 AEMM 是被强烈推荐的。 5 .弯曲裂缝的控制 在 AS3600-1994 中，弯曲裂缝的控制被认为是令人满意的，它提供给设计者符合某些细节的规
20、定。这些细节涉及到钢筋的中心距间距最大限度值，以及梁的侧面或底面到最近的纵向钢筋的距离的最大值。这些限制值不依赖于现役荷载作用下的拉伸钢筋中应力，而且当钢筋中应力超过约 240 兆帕时已被发现是不可靠的。 AS3600-1994中条文过度简化问题，不是总能确保对开裂有足够的控制。随着目前向更高强度钢筋使用的转变（特征强度为 500 兆帕或以上） ，迫切要求重审在 AS3600 中针对钢筋混凝土梁、板裂缝控制的设计规则。现有钢筋混凝土弯曲构件的设计规范是针对含 400 兆帕钢筋的构件的设计，而且有时是不谨慎的。在使用更高强度钢筋的构件中，那些条文不可能是满足要求的，因为在现役荷载作用下的构件中的钢筋应力有可能更大，这是因为减少的钢筋区域需要足够强度。6 .结论 在持续现役荷载作用下的钢筋和预应力混凝土构件的收缩特性的影响已经讨论过了。特别是在不对称钢筋构件的收缩翘曲和直接拉伸构件中的收缩开裂的机理已经被描述过了。最近 AS3600 中可靠性的条文的修正已经制出大纲，同时控制变形和裂纹的技术也将会呈现。用于预测弯曲构件中长期变形及最终裂缝宽度的可靠的程序已经被提出并图例说明。
